(57)【要約】【課題】  摩擦接合において、接合部材の形状や接合箇所に制限なく適用可能で、接合位置を正確に位置決めでき、さらに、従来より発熱能率、発熱量が大きく、熱容量が大きい部材、熱伝導率の大きな部材を安定して高い品質で接合可能とする画期的な摩擦接合方法と装置を提供する。【解決手段】  摩擦発熱のための摩擦運動は、接合平面内の直交する２方向、即ち、Ｘ方向とＹ方向の運動成分を有する摩擦運動を行う。及び、その摩擦運動は、円運動で行う。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの部材の接合面を互いに接圧させた状態で、一方の部材を他方の部材に対して相対運動させて互いの接合面を摩擦発熱させることで接合する摩擦接合方法において、２つの部材の互いの接合面を、当該接合平面内において直交する２方向の運動成分を有する摩擦運動により摩擦発熱させて接合することを特徴とする摩擦接合方法。
【請求項２】
前記摩擦運動は、円運動であることを特徴とする請求項１記載の摩擦接合方法。
【請求項３】
一方の部材を支持固定する第一固定手段と、他方の部材を支持固定する第二固定手段と、一方の部材及び他方の部材を互いに接圧させる接圧手段と、第一及び第二固定手段を相対運動させて、一方の部材及び他方の部材の接合平面内において直交する２方向の運動成分を有する摩擦運動させる移動手段とを備えていることを特徴とする摩擦接合装置。
【請求項４】
前記移動手段は、駆動用モータと、駆動用モータの回転運動を第一方向の往復運動に変換する第一伝動機構と、駆動用モータの回転運動を第一方向と直交する第二方向の往復運動に変換する第二伝動機構と、前記第一伝動機構及び前記第二伝動機構に連結されて前記第一及び第二固定手段のいずれか一方を他方に対して摩擦運動させる合成運動機構とを備えていることを特徴とする請求項３に記載の摩擦接合装置。
【請求項５】
前記第一伝動機構は、前記駆動用モータに回転駆動される第一加振用拘束カムを備えており、前記第二伝動機構は、前記駆動用モータに回転駆動される第二加振用拘束カムを備えていることを特徴とする請求項４に記載の摩擦接合装置。
【請求項６】
前記第一加振用拘束カム及び前記第二加振用拘束カムは、同じ無停留対称カム曲線で、同じカム輪郭曲線を有し、前記第一加振用拘束カム及び前記第二加振用拘束カムのカム輪郭曲線の位相が互いに９０度ずらして回転するように設定されていることを特徴とする請求項５記載の摩擦接合装置。
【請求項７】
前記第一及び第二伝動機構は、それぞれ別の駆動用モータにより回転駆動されることを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の摩擦接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属製、プラスチック製などの部材の接合において、接合面を互いに接圧させた状態で擦り合せて摩擦熱を発生させ、接合面の表層を塑性流動化し新しい活性面を現出させ接合する摩擦接合の方法及び摩擦接合装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
部材の接合において、従来から用いられている摩擦接合法には、摩擦運動の運動形態により、回転運動により摩擦を行う回転運動摩擦接合法と直線往復運動により摩擦を行う直線往復運動摩擦接合法がある。
【０００３】
回転運動摩擦接合法は、一組の部材の接合面を互いに接圧させた状態で一方を固定把持し、他方を回転機構に取り付けて回転運動させて摩擦し、接合面の表層が接合可能温度に達した後、回転運動を停止し、接圧力をさらに強くし塑性流動化した表層を押しのけ新しい活性面を現出させ接合する方法であり、広く実用されている。
【０００４】
直線往復運動摩擦接合法としては、特許文献１に開示される「直線オシレート式摩擦溶接装置」が知られている。即ち、特許文献１には、一組の部材の接合面を互いに接圧させた状態で一方を固定把持し、他方を加振用モータと偏心カムによる加振機構に取り付けて直線往復運動させて摩擦し、接合面の表層が接合可能温度に達した後、加振運動を停止し、接圧力をさらに強くし塑性流動化した表層を押しのけ新しい活性面を現出させ接合する方法が開示されている。
【０００５】
また、他の直線往復運動摩擦接合法としては、特許文献２に開示される「直動摩擦溶接方法及び装置」も知られている。即ち、特許文献２には、一組の部材の接合面の間に、接合面よりも大きい平板状の中間材を挟持し、互いに接圧させた状態でその中間材だけを直線往復運動させて摩擦し、接合面の表層が接合可能温度に達した後、加振運動を停止し、接圧力をさらに強くし塑性流動化した表層を押しのけ新しい活性面を現出させ接合する方法が開示されている。また、同特許文献２には、中間材を回転運動させて摩擦する方法も開示されている。
【０００６】
しかし、前述した回転運動摩擦接合法は、接合部材の形状や接合位置よっては接合部材同士が互いに干渉し回転運動させることが不可能で、この摩擦接合法は適用できない場合がある。また、接合面の回転中心では相対運動がないので摩擦発熱は発生しないが、回転中心から半径方向に離れるほど相対運動速度が大きいので摩擦発熱は大きい。このように接合面における発熱分布が不均一であるため、接合面全体を最低限必要な温度まで上昇させると、過加熱になる部分が発生し、その部分では、接圧力による変形やバリが局部的に大きくなり、高品質接合が実現しにくい。
【０００７】
また、前述した特許文献１に開示された直線往復運動摩擦接合法は、往復運動の両端で一旦停止し、その間は発熱作用が働かず、放熱するのみで、そのため接合面の温度を上昇させる能力が低く、熱容量が大きな部材や熱伝導、熱伝達の大きな部材の接合には限界がある。
【０００８】
さらに、前述した特許文献２に開示された直線往復運動摩擦接合法は、前述した特許文献１に開示された直線往復運動摩擦接合法が内包する問題と同様な問題を持っていることに加え、さらに、中間材を利用することは工程数を増やすことになる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−１５３９７５号公報
【特許文献２】特開２００３−１２６９６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の回転運動摩擦接合法及び装置で、図４に示すような立方体形状の部材Aを部材Bの段付き部の隅に沿わせて接合する場合、回転運動による摩擦を試みても部材同士が干渉して回転不可能である。
【００１１】
また、従来の直線往復運動摩擦法及び装置では、往復運動の両端で一旦停止し、その間は発熱作用が働かず、放熱するのみで、そのため接合面の温度を上昇させる能力が低く、熱容量が大きな部材や熱伝導、熱伝達の大きな部材の接合には限界がある。
【００１２】
また、従来の回転運動摩擦接合法及び装置では、接合面の回転中心では相対運動がないので摩擦発熱は発生しないが、回転中心から半径方向に離れるほど相対運動速度が大きいので摩擦発熱は大きい。このように接合面における発熱分布が不均一であるため、接合面全体を最低限必要な温度まで上昇させると、過加熱になる部分が発生し、その部分では、接圧力による変形やバリが局部的に大きくなり、高品質接合が実現しにくい。
【００１３】
さらに、従来の回転運動摩擦接合法及び装置では、接合姿勢すなわち回転角度は回転運動を止めるときの回転角度で調整可能であるが、接合位置は回転中心で決定され、接合位置を調整するには別に調整手段を必要とする。同様に、従来の直線往復運動摩擦法及び装置においても、接合位置は、直線往復運動方向には調整可能であるが、該方向と直交する方向へ接合位置を調整するには別の調整手段が必要となる。
【００１４】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決することを課題とする。
【００１５】
具体的には、本発明は接合部材の形状や接合箇所に制限なく適用可能で、さらに、従来より発熱能率、発熱量が大きく、熱容量が大きい部材、熱伝導率の大きな部材を安定して高い品質で接合可能とする画期的な摩擦接合方法と装置を提供することを目的とする。
【００１６】
また、本発明の他の目的は、摩擦接合する部材の接合位置を正確に位置決めする摩擦接合方法と装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者が上記課題を解決するために採用した第１の手段は、２つの部材の接合面を互いに接圧させた状態で、一方の部材を他方の部材に対して相対運動させて互いの接合面を摩擦発熱させることで接合する摩擦接合方法において、２つの部材の互いの接合面を、当該接合平面内において直交する２方向の運動成分を有する摩擦運動により摩擦発熱させて接合することを特徴とする摩擦接合方法である。
【００１８】
上記第１の手段によれば、摩擦運動が回転運動でないため、接合部材の形状や接合位置に制限されることなく適用でき、また、接合平面内において直交する２方向、即ち、Ｘ方向とＹ方向の運動成分を有する摩擦運動、例えば、円運動による摩擦運動や楕円運動による摩擦運動や８の字運動による摩擦運動などを行うことで、摩擦発熱期間の間、摩擦運動を停止することなく続けることが可能で、その結果、発熱能率、発熱量が大きくなり、熱容量が大きな部材や熱伝導、熱伝達の大きな部材の接合が可能となる。
【００１９】
また、上記課題を解決するために採用した第２の手段は、第１の手段の前記摩擦運動は、円運動であることを特徴とする摩擦接合方法である。
【００２０】
摩擦接合方法において、摩擦運動の変位、即ち、振幅は、少なくとも接合面表層が相対すべりを起こす程度以上の変位量の大きさが必要で、それより小さい場合は、図５の変形モデル図で模式的に示すように、接合面表層は弾性変形を繰り返すばかりで、歪エネルギーの蓄積と開放を繰り返し、摩擦発熱は発生しない。そのため、接合平面内において直交する２方向、即ち、Ｘ方向とＹ方向ともこの振幅以上の摩擦運動が必要である。接合平面内において直交する２方向、即ち、Ｘ方向とＹ方向にこの大きさの変位を持つ摩擦運動形態の中で、常に停止することなく摩擦運動を続け、一定の発熱能率で、最大の発熱量を発生するものは円運動である。そこで、上記第２の手段によれば、一定の発熱能率で最大の発熱量を実現でき、しかも、接合面全体を均一に発熱させることが出来る。
【００２１】
また、上記課題を解決するために採用した第３の手段は、一方の部材を支持固定する第一固定手段と、他方の部材を支持固定する第二固定手段と、一方の部材及び他方の部材を互いに接圧させる接圧手段と、第一及び第二固定手段を相対運動させて、一方の部材及び他方の部材の接合平面内において直交する２方向の運動成分を有する摩擦運動させる移動手段とを備えていることを特徴とする摩擦接合装置である。
【００２２】
上記第３の手段は、前記第１、第２の解決手段を具体的に装置構成によって実現するものである。
【００２３】
また、上記課題を解決するために採用した第４の手段は、第３の手段の前記移動手段は、駆動用モータと、駆動用モータの回転運動を第一方向の往復運動に変換する第一伝動機構と、駆動用モータの回転運動を第一方向と直交する第二方向の往復運動に変換する第二伝動機構と、前記第一伝動機構及び前記第二伝動機構に連結されて前記第一及び第二固定手段のいずれか一方を他方に対して摩擦運動させる合成運動機構とを備えていることを特徴とする摩擦接合装置である。
【００２４】
上記第４の手段は、前記第３の解決手段を具体的に装置構成によって実現するものである。
【００２５】
また、上記課題を解決するために採用した第５の手段は、第４の手段の前記第一伝動機構は、前記駆動用モータに回転駆動される第一加振用拘束カムを備えており、前記第二伝動機構は、前記駆動用モータに回転駆動される第二加振用拘束カムを備えていることを特徴とする摩擦接合装置である。
【００２６】
上記第５の手段は、前記第４の解決手段を具体的に装置構成によって実現するものである。
【００２７】
また、上記課題を解決するために採用した第６の手段は、第５の手段の前記第一加振用拘束カム及び前記第二加振用拘束カムは、同じ無停留対称カム曲線で、同じカム輪郭曲線を有し、前記第一加振用拘束カム及び前記第二加振用拘束カムのカム輪郭曲線の位相が互いに９０度ずらして回転するように設定されていることを特徴とする摩擦接合装置である。
【００２８】
上記第６の手段は、前記第２の解決手段を具体的に装置構成によって実現するものである。
【００２９】
また、上記課題を解決するために採用した第７の手段は、第４から６のいずれかの手段の前記第一及び第二伝動機構は、それぞれ別の駆動用モータにより回転駆動されることを特徴とする摩擦接合装置である。
【００３０】
上記第７の手段は、前記第一及び第二伝動機構は、それぞれ別の駆動用モータにより回転駆動され、これらの駆動用モータを独立して駆動制御することで、摩擦接合する部材の接合位置を正確に位置決めすることが可能となる。
【発明の効果】
【００３１】
上述したように本発明の摩擦接合方法及び摩擦接合装置は、摩擦運動が回転運動でないため、接合部材の形状や接合箇所に制限されることなく適用できる。
【００３２】
また、本発明の摩擦接合方法及び摩擦接合装置は、接合平面内において直交する２方向、即ち、Ｘ方向とＹ方向の運動成分を有する摩擦運動を行うことにより、摩擦発熱能率と発熱量が大きくなり、熱容量が大きな部材や熱伝導、熱伝達の大きな部材の接合が可能となる。特に、円運動による摩擦運動は、常に一定の発熱能率で、最大の発熱量が得られ、しかも、接合面全体に均一に発熱作用がある。
【００３３】
また、本発明の摩擦接合方法及び摩擦接合装置は、前記第一及び第二伝動機構を、それぞれ別の駆動用モータにより回転駆動し、これらの駆動用モータを独立して駆動制御することで、摩擦接合する部材の接合位置を正確に位置決めすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の構成を添付図面に図示する好ましい実施の形態に基づいて、さらに詳しく説明する。
【実施例】
【００３５】
〔実施例１〕
図１〜図２は、本発明を適用して構成される摩擦接合方法及び摩擦接合装置（実施例１）の主要部分を図示したものである。
【００３６】
図面上、符号１で指示するものは、前記駆動用モータであり、本実施例では回転速度と回転量を制御できるサーボモータである。このサーボモータの定格回転数は１０００RPMである。
【００３７】
つぎに、駆動用モータ１の回転運動を第一方向、即ち、Ｘ方向の往復運動に変換する前記第一伝動機構を説明する。
図面上、符号２１で指示するものは前記第一加振用拘束カムであり、本実施例では揚程1mm、割付角9°、単弦運動カム曲線の上昇行程と、上昇行程と同じ揚程、割付角，カム曲線の下降工程を２０サイクル繰り返すカム輪郭曲線を持つリブ拘束板カムで、第一加振用タイミングプーリ２３と第一加振用タイミングベルト２４で構成された回転伝動具を介して駆動用モータ１と回転連結されている。符号２で指示するものは、第一加振伝動具で、第一加振用拘束カム２１の直動従節である。本実施例では、この第一加振伝動具２は、この第一加振伝動具２に付設した２個の第一加振用カムフォロワ２５で第一加振用拘束カムのリブ部２２を両側から与圧を与えた状態で間隙なく挟み込み、第一加振用拘束カム２１に連結され、第一方向、即ち、Ｘ方向にだけ直線往復運動できるように配置した第一案内具２６に嵌合している。
以上の一連の構成により、前記第一伝動機構を構成し、本実施例では、第一加振用拘束カム２１が１回転すると、第一加振伝動具２は、振幅1ｍｍの往復直進運動を第一方向、即ち、Ｘ方向に２０回行う。
【００３８】
つぎに、駆動用モータ１の回転運動を第一方向と直交する第二方向、即ち、Ｙ方向の往復運動に変換する前記第二伝動機構を説明する。
図面上、符号３１で指示するものは前記第二加振用拘束カムであり、本実施例では揚程1mm、割付角9°、単弦運動カム曲線の上昇行程と、上昇行程と同じ揚程、割付角，カム曲線の下降工程を２０サイクル繰り返すカム輪郭曲線を持つリブ拘束板カムで、第二加振用タイミングプーリ３３と第二加振用タイミングベルト３４で構成された回転伝動具を介して駆動用回転モータ１と回転連結されている。符号３で指示するものは、第二加振伝動具で、第二加振用拘束カム３１の直動従節である。本実施例では、この第二加振伝動具３は、この第二加振伝導具３に付設した２個の第二加振用カムフォロワ３５で第二加振用拘束カムのリブ部３２を両側から与圧を与えた状態で間隙なく挟み込み、第二加振用拘束カム３１に連結され、第二方向、即ち、Ｙ方向にだけ直線往復運動できるように配置した第二案内具３６に嵌合している。
以上の一連の構成により、前記第二伝動機構を構成し、本実施例では、第二加振用拘束カム３１が１回転すると、第二加振伝動具３は、振幅1ｍｍの往復直進運動を第二方向、即ち、Ｙ方向に２０回行う。
【００３９】
つぎに、前記第一伝動機構及び前記第二伝動機構に連結されて前記第一固定手段を前記第二固定手段に対して摩擦運動させる前記合成運動機構を説明する。
図面上、符号４で指示するものは、合成振動テーブルで、第一加振伝動具２上に付設した第二方向、即ち、Ｙ方向にだけ直線往復運動ができるような振動合成用案内具４１に嵌合案内されている。この合成振動テーブル４の一端には、第二加振伝動具３と滑動連結するための第一方向、即ち、Ｘ方向に平行な合成振動テーブル連結用リブ部４２を付設してある。この合成振動テーブル４は、第二加振伝動具３の他端に付設した２個の合成振動テーブル駆動用カムフォロワ４３で合成振動テーブル連結用リブ部４２を両側から与圧を与えた状態で間隙なく挟み込み、第二加振伝動具３と滑動連結される。この合成振動テーブル４には、摩擦接合する一方の部材４５を支持固定する前記第一固定手段４４を付設してある。符号５３で指示するものは前記第二固定手段で、後述する一方の部材及び他方の部材を互いに接圧させる接圧手段に付設されている。
以上の一連の構成により、前記合成運動機構を構成し、本実施例では第一加振用拘束カム２１と第二加振用拘束カム３１が１回転すると合成振動テーブル４とこのテーブルに付設した第一固定手段４４に支持固定された一方の部材４５は、接合平面内において直交する２方向、即ち、Ｘ方向及びＹ方向に、振幅1ｍｍの往復直進運動を２０回行い、駆動用モータ１の回転速度１０００RPMを第一加振用拘束カム２１と第二加振用拘束カム３１にそのまま回転伝動し、合成振動テーブル４とこのテーブルに付設した第一固定手段４４に把持されている一方の部材４５は、接合平面内において直交する２方向、即ち、Ｘ方向及びＹ方向に、振幅1ｍｍの往復直進運動を毎分２００００回行う。
【００４０】
つぎに、一方の部材及び他方の部材を互いに接圧させる接圧手段を説明する。
図面上、符号５で指示するものは、接圧力付与装置で、接圧力発生用モータ５１に連結されている。接圧力付与装置５は接圧力発生用モータ５１の回転運動を直進運動に変換して、垂直方向案内具５２に案内されＺ方向に上昇、下降する。また、接圧力付与装置５の下端には、摩擦接合する他方の部材５４を支持固定する第二固定手段５３を付設してある。
以上の一連の構成を、摩擦接合する一方の部材４５のＺ軸方向真上に設置することで、一方の部材４５及び他方の部材５４を互いに接圧させる接圧手段を構成する。本実施例では、接圧力発生用モータ５１にサーボモータを使用し、このサーボモータの電流の大きさを変えることで、接圧力をかえる。
【００４１】
上記構成の本実施例の摩擦接合装置で、一方の部材４５と他方の部材５４として一辺が５ミリの立方体のチタン合金を用いて摩擦接合を行ったところ、簡単に摩擦接合することができた。
【００４２】
〔実施例２〕
図１〜図２は、本発明を適用して構成された実施例２としての摩擦接合方法及び摩擦接合装置の主要部分を図示にしたものである。
【００４３】
この実施例2の摩擦接合方法及び摩擦接合装置が前述の実施例１と異なる点は、第一加振用拘束カム２１と第二加振用拘束カム３１に、同じ無停留対称カム曲線の単弦運動カム曲線で、同じカム輪郭曲線を採用し、第一加振用拘束カム２１と第二加振用拘束カム３１のカム輪郭曲線の位相を互いに９０度ずらして、駆動用モータ１に、第一加振用タイミングプーリ２３と第一加振用タイミングベルト２４で構成された回転伝動具と、第二加振用タイミングプーリ３３と第二加振用タイミングベルト３４で構成された回転伝動具を介して各々回転連結する点だけであって、その他の基本的な構成は実施例1と変わりがない。
【００４４】
上記構成の本実施例の摩擦接合装置で、一方の部材４５と他方の部材５４として一辺が５ミリの立方体のチタン合金を用いて、円運動の摩擦運動をさせ摩擦接合を行ったところ、簡単に摩擦接合することができた。
【００４５】
〔実施例３〕
図３は、本発明を適用して構成された実施例３としての摩擦接合方法及び摩擦接合装置の主要部分を図示にしたものである。
【００４６】
この実施例３の摩擦接合方法及び摩擦接合装置が前述の実施例１及び２と異なる点は、実施例１及び2にあっては、第一加振用拘束カム２１も第二加振用拘束カム３１も同じ駆動用モータ１に回転連結していたが、実施例３にあっては、駆動用モータ１には第一加振用拘束カム２１だけを回転連結し、第二加振用拘束カム３１は、新たに増設した第二加振用回転モータ１１に、第二加振用タイミングプーリ３３と第二加振用タイミングベルト３４で構成された回転伝動具を介して回転連結する点だけであって、その他の基本的な構成は実施例２と変わりがない。
【００４７】
上記構成の本実施例の摩擦接合装置では、駆動用モータ１と第二駆動用モータ１１を独立に駆動制御でき、その結果、摩擦接合する部材の接合位置を正確に位置決めすることが可能となった。また、駆動用モータ１と第二駆動用モータ１１の回転速度比を任意に変えることで、円運動による摩擦運動や楕円運動による摩擦運動や８の字運動による摩擦運動などを行うことが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、本発明を適用して構成した実施例１、実施例２の摩擦接合方法及び摩擦接合装置の全体構成を立体的に表現した説明図である。
【図２】図２は、図1に示した実施例1、実施例2の駆動用モータと第一伝動機構と第二伝動機構とそして合成運動機構の構成を平面的に表現した説明図である。
【図３】図３は、本発明を適用して構成した実施例３の摩擦接合方法及び摩擦接合装置の駆動用モータと第一伝動機構、第二駆動用モータと第二伝動機構、そして合成運動機構の構成を平面的に表現した説明図である。
【図４】図４は、回転運動による摩擦を試みても部材同士が干渉して回転不可能なため、従来の回転運動摩擦接合法及び装置が適用できない一例を示す説明図である。
【図５】図５は、摩擦運動の振幅が、接合面表層が相対すべりを起こす程度以下の大きさの場合は、接合面表層は弾性変形を繰り返すばかりで、歪エネルギーの蓄積と開放を繰り返し、摩擦発熱は発生しないことを説明する説明図である。
【符号の説明】
【００４９】
１      駆動用モータ
１１  第二駆動用モータ
２      第一加振伝動具
２１  第一加振用拘束カム
２２  第一加振用拘束カムのリブ部
２３  第一加振用タイミングプーリ
２４  第一加振用タイミングベルト
２５  第一加振用カムフォロワ
２６  第一案内具
３      第二加振伝動具
３１  第二加振用拘束カム
３２  第二加振用拘束カムのリブ部
３３  第二加振用タイミングプーリ
３４  第二加振用タイミングベルト
３５  第二加振用カムフォロワ
３６  第二案内具
４      合成振動テーブル
４１  振動合成用案内具
４２  合成振動テーブル連結用リブ部
４３  合成振動テーブル駆動用カムフォロワ
４４  第一固定手段
４５  摩擦接合する一方の部材
５      接圧力付与装置
５１  接圧力発生用モータ
５２  垂直方向案内具
５３  第二固定手段
５４  摩擦接合する他方の部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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